Nghiên cứu công nghệ tổng hợp vật liệu graphene đa lớp và thử nghiệm ứng dụng

Nghiên cứu công nghệ tổng hợp vật liệu
Graphene đa lớp và thử nghiệm ứng dụng


Nguyễn Văn Tú


Trường Đại học Công nghệ. Đại học Quốc gia Hà Nội
Luận văn ThS. Vật liệu và Linh kiện nano (Chuyên ngành đào tạo thí điểm)
Người hướng dẫn : TS. Nguyễn Văn Chúc
Năm bảo vệ: 2013
46 tr .

Abstract. Làm sáng tỏ những nội dung cơ bản trong tư tưởng Hồ Chí Minh về đạo
đức cách mạng, chủ yếu là đạo đức của đội ngũ cán bộ y tế. Chỉ ra và phân tích một số
những vấn đề cơ bản, góp phần phát hiện những yếu tố, điều kiện tác động, chi phối
thực trạng đạo đức của đội ngũ cán bộ y tế ở Việt Nam trong những năm gần đây. Đề
xuất một số quan điểm cơ bản và luận chứng một số giải pháp chủ yếu nhằm tiếp tục
xây dựng đạo đức cho đội ngũ cán bộ y tế ở Việt Nam hiện nay.
Keywords.Công nghệ Nano; Linh kiện nano; Vật liệu Graphene đa lớp
Content.
Lý do chọn đề tài
Năm 2004 với việc tách thành công những tấm graphene đầu tiên từ bột
graphite, đến năm 2010 giải thưởng Nobel về vật lý đã được trao cho hai nhà khoa học
Konstantin S. Novoselov và Andre K. Geim thuộc trường đại học Manchester nước
Anh đã tách được những đơn lớp graphene đầu tiên và mô tả đặc trưng của chúng [26].
Sự kiện này đánh dấu mộc mốc quan trọng trong sự phát triển của khoa học về vật liệu.
Đây là một vật liệu mới, có những tính chất cơ học và vật lý đặc biệt như tính dẫn điện
= 10
-6


cm (với điện trở suất nhỏ hơn của Cu đến 35%), dẫn nhiệt = 5300 Wm
-1
K
-1

(gấp 10 lần Cu), độ bền cao = 42N/m (gấp 100 lần thép), mềm dẻo, tỉ trọng nhẹ = 0,77
mg/m
2
, gần như trong suốt (hấp thụ chỉ 2,3% ánh sáng truyền qua)…Dạng vật liệu này
đã và đang thu hút được sự quan tâm chú ý của nhiều nhà khoa học, nhiều nhóm
nghiên cứu trên thế giới thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm tận dụng triệt để các ưu
việt của dạng vật liệu này.
Tuy nhiên để có thể thực hiện được các ứng dụng, việc tìm kiếm các điều kiện
công nghệ để tổng hợp vật liệu graphene với diện tích lớn và chất lượng tốt là hết sức
cần thiết. Ngoài phương pháp bóc tách cơ học từ graphite của Geim, còn có một số
phương pháp khác để tổng hợp vật liệu graphene như phương pháp epitaxy, phương
pháp bóc tách hóa học, phương pháp khử graphene oxide, và phương pháp lắng đọng
hóa học pha hơi (CVD) sử dụng vật liệu xúc tác kim loại chuyển tiếp. Trong số các
phương pháp trên, phương pháp CVD nhiệt rất thuận lợi cho việc tổng hợp các màng
graphene với diện tích lớn và chất lượng cao. Ngoài ra điều quan trọng là các kim loại
chuyển tiếp có thể được loại bỏ bằng việc ăn mòn hóa học và các màng graphene được
tổng hợp trên những vật liệu này có thể dễ dàng chuyển sang các loại điện cực vật liệu
khác nhau, dễ dàng chức năng hóa để ứng dụng cho chế tạo cảm biến sinh học. Do đó
tôi chọn hướng nghiên cứu với nội dung: “Nghiên cứu công nghệ tổng hợp vật liệu
graphene đa lớp và thử nghiệm ứng dụng”

Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo vật liệu graphene trên đế Cu bằng phương pháp CVD nhiệt.
Tìm điều kiện công nghệ thích hợp để chế tạo màng graphene chất lượng cao.

- Nghiên cứu công nghệ chuyển lớp màng graphene từ đế Cu sang các loại đế
khác.
- Khảo sát hình thái học và cấu trúc của vật liệu graphene thông qua các phép đo:
hiển vi điện tử quét SEM, phổ Raman và hiển vi lực nguyên tử AFM.
- Nghiên cứu công nghệ chế tạo cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở màng
graphene được chức năng hóa bề mặt.
- Thử nghiệm - tối ưu hóa cảm biến sinh học điện hóa sử dụng màng graphene;
thử nghiệm xác định hàm lượng atrazin
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu và tìm ra quy trình công nghệ tối ưu để chế tạo vật liệu graphene có
ý nghĩa hết sức quan trọng, nhằm đáp ứng những yêu cầu cấp bách về mặt khoa học,
làm chủ được công nghệ tiên tiến chế tạo vật liệu. Việc chế tạo thành công vật liệu
graphene có ý nghĩa thực tiễn lớn phục vụ cho các ứng dụng như nano composite,
graphene- FET, cảm biến sinh học điện hóa…
Phương pháp nghiên cứu
Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm
Bố cục của luận văn
Luận văn được chia làm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về vật liệu graphene, những tính chất nổi bật của vật
liệu, các phương pháp chế tạo vật liệu và các ứng dụng của vật liệu graphene
Chương 2: Thực nghiệm chế tạo vật liệu graphene, khảo sát các yếu tố ảnh
hưởng quá trình tổng hợp. Tìm được điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Đưa ra các kết quả phân tích ảnh SEM, Raman và AFM để phân tích cấu trúc và
độ dày của vật liệu. Từ đó giải thích các cơ chế của quá trình tổng hợp vật liệu.
Chương 4: Ứng dụng của vật liệu graphene
Bước đầu ứng dụng thử nghiệm chế tạo cảm biến sinh học điện hóa sử dụng vật
liệu graphene. Đánh giá độ nhạy của cảm biến khi sử dụng vật liệu graphene
Tài liệu tham khảo
1. Vũ Thị Hồng Ân (2008), Cảm biến sinh học trên cơ sở composite polypyrrole và

ống nanocacbon ứng dụng xác định GOx và AND, Luận văn Thạc sĩ Hóa lý
thuyết – Hóa lý, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
2. Nguyễn Hải Bình (2011) Nghiên cứu chế tạo cảm biến miễn dịch điện hóa với sự
làm giàu nồng độ bằng hạt nano từ ứng dụng xác định hàm lượng thuốc trừ sâu
atrazine . Báo cáo thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu khoa học công nghệ thường
xuyên năm 2011 cấp cơ sở. CSTX 11.01
3. Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh (2005), “Công nghệ nanô điều khiển đến từng
phân tử nguyên tử”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, tr. 124-138.
4. Vũ Ngọc Minh (2007), Tổng hợp điện hóa và nghiên cứu hình thái cấu trúc bề
mặt của màng polyaniline cấu trúc bởi các sợi nano có chứa các nano cluster
kim loại, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ Hóa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
5. Nguyễn Lê Huy (2010), Nghiên cứu phát triển polyaniline/ống nanocacbon ứng
dụng trong cảm biến sinh học, Luận văn Thạc sĩ Hóa phân tích, Đại học Bách
Khoa Hà Nội
6. Nguyễn Đức Nghĩa, Bán dẫn hữu cơ polyme. Công nghệ chế tạo, tính chất, ứng
dụng, .2007: Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ
7. Bor Z. Jang*, Chenguang Liu, David Neff, Zhenning Yu,Ming C. Wang, Wei
Xiong, and Aruna Zhamu, Graphene Surface-Enabled Lithium Ion-Exchanging
Cells: Next-Generation High-Power Energy Storage Devices, Nano Lett. 2011,
11, 3785–3791
8. Bernal J. D. (1924), “The structure of graphite”, Proc. Roy. Soc. A, 106, pp. 749
9. Bhaviripudi , S., Jia, X., Dresselhaus, M. S., and Kong, J., 2010, Role of Kinetic
Factors in Chemical Vapor Deposition Synthesis of Uniform Large Area
Graphene Using Copper Catalyst, Nano Letters, 10(10), pp. 4128-4133
10. Conrad, J. H, 2008, The growth and morphology of epitaxial multilayer
graphene, Journal of physics: Condensed Matter, 20(32), p. 323202
11. Dong X, Wang P, Fang W, Su C Y, Chen Y H, Li L J, Huang W and Chen P
2011 Carbon 49 3672
12. Donald E. Tillitt , Diana M. Papoulias, Jeffrey J. Whyte, Catherine A. Richter,
Atrazine reduces reprodution in fathead minnow ( Pimephales promelas),

Aquatic Toxicology, 99 (2), pp. 149-159 (2010)
13. Futado, C. A., Kim, U. J., Gutierrez, H. R., Pan, L., Dickey, E. C., and Eklund,
P. C., 2004, Debundling and Dissolution of Singgle-Walled Carbon Nanotubes
in Amide Solvents, Journal of the American Chemical Society, 126(19), pp.
6095-6105
14. Hernandez, Y., Nicolosi, V., Lotya, M., Blighe, F. M., Sun, Z., De, S.,
McGovern, I. T., Holland, B., Byrne, M., Gun’Ko, Y . K., Boland, J. J., and
Coleman, J. N., 2008, High –yield production of graphene by liquid-phase
exfoliation of graphite, Nat Nano, 3(9), pp. 563-568
15. Iijima S. (1991), “Helical microtubules of graphitic carbon”, Nature 354, pp. 56-
58.
16. Iijima S., and Ichihashi T. (1993), “Single-shell carbon nanotubes of 1-nm
diameter”, Nature 363, pp. 603-605
17. Electrical-
Resistivity-And-Conductivity.htm
18.
19.
20. IUPAC, Recommended Definitions and Classification. Pure Appl. Chem., 1999.
71(12): p. 2333-2348
21. Jiao, L., Zhang, L., Wang, X., Diankov, G., and Dai, H., 2009, Narrow graphene
nano-ribbons from carbon nanotubes, Nature, 458(7240), pp. 877-880.
22. Ji, H., Hao, Y., Charlton, M., Lee, W. H., Wu, Q., Li, H., Zhu, Y., Wu, Y.,
Piner, R., and Ruoff, R. S., 2011, Graphene Growth Using a Solid Carbon
Feedstock and Hydrogen, ACS Nano, 5(9), pp. 7656-7661
23. Kroto H. W., Heath J. R., O’Brien S. C., Curl R. F., and Smalley R. E. (1985),
“C60: Buckminsterfullerene”, Nature 318, pp. 162-163
24. Kratschmer W., Lamb L. D., Fostiropoulos K., and Huffman D. R. (1990), “
Solid C60: a new form of carbon”, Nature 347, pp. 354-358
25. Kosynkin, D. V., Higginbotham, A. L., Sinitskii, A., Lomeda, J. R., Dimiev, A.,
Price, B. K., and Tour, J. M., 2009, Longitudinal unzipping of carbon nanotubes

to from graphene nano-ribbons, Nature, 458(7240), pp. 872-876
26. Kumar, A., A. M. Pharhad(2003), Electrochemical synthesis and
characterization of chloride doped polyaniline, Bull. Mater Sci., 26(3): p 329-
334.
27. Lung-Hao Hu*, Feng-Yu Wu*, Cheng-Te Lin, Andrei N. Khlobystov and Lain-
Jong Li, Graphene-modified LiFePO4 cathode for lithium ion battery beyond
theoretical capacity, nature communication(4:1687)doi: 10.1038/ncomms2705
28. Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos,
S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Electric field effect in atomically thin
carbon films. Science 2004, 306, 666-9
29. Li, X., Cai, W., Colombo, L., and Ruoff, R.S., 2009, Evolution of Graphene
Growth on Ni and Cu by Carbon Isotope Labeling, Nano Letters, 9(12), pp.
4268-4272
30. Leland C. Clack Jr., C. L. (1962) Electrode systems for continuos monitoring in
cardiovascular surgery. Annals of the New York Academy of Scienes,
102(Automated and Semi-Automated Systems in Clinical Chemistry): p. 29-45.
31. Lam, T. D. (2003), Direct Electrochemical AND biosensor based on novel
conducting polymes. Ph. D Thesis, University Paris VII.
32. Morgan, A. E., and Somorjai, G. A., Low energy electron diffraction studies of
gas adsorption on the platinum (100) single crystal surface, Surface Science,
12(3), pp. 405-425
33. M.G. Paulino, M.M. Sakuragui, M.N. Fernandes, Effects of atrazine on the gill
cells and ionic balance in a neotropical fish, prochilodus lineatus, Chemosphere,
86 (1), pp. 1-7 (2012)
34. Nazaré M. H., and Neves A. J. (2001), Properties, Growth and Applications of
Diamond, The Institution of Electrical Engineers, United Kingdom
35. Novoselov, K. S., Geim, A. K., Morozov, S. V., Jiang, D., Zhang, Y., Dubonos,
S. V., Grigorieva, I. V., and Firsov, A. A., 2004, Electric Field Effect in
Atomically Thin Carbon Films, Science, 306(5696), pp. 666-669
36. Nguyen H B et al 2012 Adv. Nat. Sci: Nanosci. Nanotechnol. 3 025011

37. Pearce R, Iakimov T, Andersson M, Hultman L, Spetz A L and Yakimova R
2011 Sensors Actuators B 155 451
38. Rowell M W, Topinka M A, McGehee M D, Prall H J, Dennler G, Sariciftci N
S, Hu L and Gruner G 2006 Appl Phys. Lett. 88 233506
39. Reina A, Jia X T, Ho J, Nezich D, Son H B, Bulovic V, Dresselhaus M S and
Kong J 2009 Nano Lett. 9 30
40. Renee M. Zaya, Zakariya Amini, Ashley S. Whitaker, Steven L. Kohler, Charles
F. Ide, Atrazine exposure affects growth, body condition and liver health in
xenopus laevis tadpoles, Aquatic Toxicology, 104 ( 3–4), pp. 243-253 (2011)
41. S.V. Dzyadevych, V.N. Arkhypova, A.P. Soldatkin, A.V. El'skaya, C. Martelet,
N. Jaffrezic-Renault, Amperometric enzyme biosensors: Past, present and
future. IRBM. 29(2-3): p. 171-180
42. Tian Gan, Sheng Shui Hu (2011) Electromical sensors based on graphene
materials, State Key laboratory of Transducer Techology chinese Academy of
Sciences, Beijing 10080, china
43. Van Tu Nguyen, Huu Doan Le, Van Chuc Nguyen,Thi Thanh Tam Ngo, Dinh
Quang Le, Xuan Nghia Nguyen and Ngoc Minh Phan, Synthesis of multi-layer
graphene films on copper tape by atmospheric pressurechemical vapor
deposition method, Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 4 (2013) 035012
(5pp).
44. Cecilia Mattevi, Hokwon Kim and Manish Chhowalla, “A review of chemical
vapour deposition of graphene on copper”, J. Mater. Chem., 2011, 21, 3324–
3334
45. Guixia Zhao, Tao Wen, Changlun Chen and Xiangke Wang, Synthesis of
graphene-based nanomaterials and their application in energyrelated and
environmental-related areas, RSC Advances, 2012, 2, 9286–9303
46. Nguyê
̃
n Văn Tu
́

, “ Tô
̉
ng hơ
̣
p ống nanô ca
́
c bon đi
̣
nh hươ
́
ng sư
̉
du
̣
ng vâ
̣
t liê
̣
u xu
́
c
tác hai lớp Al/Fe” Kho
́
a luâ
̣
n tốt nghiê
̣
p năm 2009.
47. I.A. Ovid’ko et al Rev. Adv. Mater. Sci. 34 1-11.
48. Metals Handbook, Metallography (1973), Structures and Phase Diagrams,

American Society for Metals, Me- tals Park, OH, 8, 8th ed
49. S. S. Sabri et al., “Graphene field effect transistors with parylene gate dielectric,”
Appl. Phys. Lett., vol. 95, no. 24, Dec. 2009
50. Balandin, A. A.; Ghosh, S.; Bao, W.; Calizo, I.; Teweldebrahn, D.; Miao, F.;
Lau, C. N. Superior Thermal Conductivityof Single Layer Graphene. Nano
Letters 2008, 8, 902-7.
51. Lee, C.; Wei, X.; Kysar, J. W.; Hone, J. Measurement of the Elastic Properties
and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. Science 2008, 321, 385-8.
52. Nair, R. R.; Blake, P.; Grigorenko, A. N.; Noveselov, K. S.; Booth, T. J.;
Stauber, T.; Peres, N. M. R.; Geim, A. K.; Fine structure constant defines visual
transparency of graphene. Science 2008, 320, 1308.
/>single-layer-single-crystal-graphene-samples